ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2008, № 3, с. 76-87
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
УДК 528.871:551.46.07
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СУТОЧНЫХ ПРИЛИВНЫХ ШЕЛЬФОВЫХ ВОЛН В РАЙОНЕ СЕВЕРНЫХ КУРИЛЬСКИХ ОСТРОВОВ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВОЙ АЛЬТИМЕТРИИ © 2008 г. Г. В. Шевченко1, А. А. Романов2
Сахалинский НИИ рыбного хозяйства и океанографии, Южно-Сахалинск 2Российский НИИ космического приборостроения, Москва E-mail: shevchenko_zhora@mail.ru Поступила в редакцию 28.09.2007 г.
Проанализированы вдольтрековые вариации гармонических постоянных амплитуд и фаз основных суточных волн Ki и Oí на северо-восточном шельфе о. Сахалин, где характеристики приливных шельфовых волн детально изучены, и в районе Северных Курильских островов, где предполагается их существование. Выявлен идентичный характер их изменчивости, что рассматривается как подтверждение данной гипотезы. Для модели с экспоненциальным профилем глубины получены оценки параметров шельфовых волн (амплитуд колебаний уровня и скоростей течений, длин волн, фазовых скоростей, диссипации энергии за приливной цикл).
ВВЕДЕНИЕ
Характеристика пространственной изменчивости гармонических постоянных приливов является одной из важных задач при изучении колебаний уровня моря, так как она отражает сложные процессы трансформации приливных волн в результате их взаимодействия с берегами или особенностями донного рельефа. Значимые различия амплитуд или фаз основных гармоник на сравнительно небольших расстояниях указывают на большие скорости приливных течений в данном районе, которые оказывают существенное влияние на формирование гидрологического режима, а также являются причиной диссипации приливной энергии под влиянием донного трения. Интерес к расчетам диссипации связан с оценками изменения скорости вращения Земли и некоторыми другими проблемами, выходящими за рамки океанологии. В прикладном отношении вариации характера и величины приливов важны для проектирования объектов в прибрежной зоне, навигации, в некоторых районах — в связи с задачей промышленного использования приливной энергии [1]. В последние годы, с организацией спутниковых альтиметрических измерений, позволивших определить характеристики приливов на обширных акваториях, ранее не освещенных наблюдениями, появились новые возможности для исследования этой проблемы, в том числе для выявления весьма тонких эффектов [2].
В открытом океане пространственные вариации гармонических постоянных приливов, как правило, незначительны, соответственно невелики скорости приливных течений, если не учиты-
вать внутренние приливные волны, которые не идентифицируются непосредственно по характеристикам колебаний уровня моря. Совершенно иная ситуация складывается во внутренних морях и прибрежных областях. Вследствие влияния резкого изменения глубины моря на шельфе и материковом склоне, наличия отражающей береговой границы, а также неоднородностей рельефа в виде проливов, узких заливов, выступающих мысов и т.д. на локальных участках величина приливных колебаний может существенно различаться. Соответственно, формируются сильные приливные течения, оказывающие значительное влияние на вариации гидрологического режима.
Особую роль в рассматриваемом вопросе играют шельфовые волны приливного происхождения, представляющие весьма необычное и очень интересное явление, которое наблюдается в сравнительно небольшом числе районов океана. Это обусловлено тем обстоятельством, что для их существования, в особенности для баротропных волн, необходимы весьма специфические условия. Как правило, они обнаруживаются на достаточно протяженных шельфах, в поясе средних широт, где суточные приливы являются субинерционными [3, 4] — это наиболее существенные из условий, при которых их дисперсионные кривые могут достигать суточного диапазона. Благодаря своим свойствам — а их главной особенностью являются высокие скорости течений в прибрежной мелководной зоне, они являются причиной значительных суточных вариаций температуры и солености [4, 5], интенсивной динамики ледяного покрова [6, 7] и т.д. Для данного вида длинноволновых движений градиентно-вихревой природы
характерна особенно эффективная диссипация приливной энергии за счет влияния донного трения по сравнению с гравитационными волнами типа Пуанкаре или Кельвина [8, 1].
В Охотском море и прилегающих районах эти волны были выявлены на северо-восточном шельфе Сахалина [9, 10, 7], у северных берегов о. Хоккайдо [11], а также на тихоокеанском побережье Южных Курильских островов [12, 4], где шельф сравнительно мелководный и протяженный (рис.1). Приблизительно такие же топографические условия характерны и для северной части островной гряды — в отличие от Средних Курил, где шельф более короткий и приглубый, здесь можно ожидать их существования. На это указывают результаты численного моделирования приливов — в работе [13] сильные суточные течения, вероятно, обусловленные шельфовыми волнами, были получены на протяжении от о.Па-рамушир до о.Матуа. В пользу этого мнения свидетельствует также результаты анализа записей колебаний уровня моря в Северо-Курильске: в работе [14] было показано, что при прохождении глубоких циклонов в данном районе возникают аномальные колебания на частотах, близких к частотам нулевой групповой скорости первых трех мод шельфовых волн. Причем для первой моды данная частота была близка к суточному приливному диапазону.
Для определения параметров приливных суточных шельфовых волн обычно используют измерения скоростей течений [9, 7], так как связанные с ними колебания уровня сравнительно невелики, и слабо проявляются на фоне более крупномасштабных составляющих прилива, обусловленных волнами Кельвина или Пуанкаре. Как правило, по результатам гармонического анализа наблюдений за уровнем моря, шельфо-вые волны в районах их существования характеризуются как мелкомасштабные вариации амплитуд и фаз основных суточных приливных волн К1 и 01 [4]. Так как в северном полушарии квази-геострофические шельфовые волны оставляют берег справа, и поскольку длина их волн примерно на два порядка меньше длин волн Кельвина или Пуанкаре, они обуславливают более существенные, чем это характерно для крупномасштабных волн, сдвиги фаз в соответствующем направлении. Амплитуда шельфовых волн убывает в направлении открытого моря, что также обусловливает вполне закономерное (хотя и незначительное по величине) изменение соответствующих гармонических постоянных на различном удалении от берега.
На шельфе Северных Курильских о-вов инструментальные измерения течений в последние годы не проводились, по крайней мере, сведениями о них мы не располагаем. Поэтому в данной
работе для исследования пространственной изменчивости суточных приливов, а также выяснения вопроса о существовании суточных шельфо-вых волн у берегов Северных Курильских островов, предпринята попытка проанализировать материалы спутниковой альтиметрии, которые использовались ранее для определения гармонических постоянных прилива [15] в Охотском море и прилегающих акваториях. В частности, высокая точность расчета гармонических постоянных на основе специальной модификации метода наименьших квадратов дает основания надеяться на то, что данный подход позволит определить характер их пространственной изменчивости и выяснить, насколько они характерны для области проявления шельфовых волн.
ВАРИАЦИИ ГАРМОНИЧЕСКИХ ПОСТОЯННЫХ НА СЕВЕРО-ВОСТОЧНОМ ШЕЛЬФЕ О. САХАЛИН ПО МАТЕРИАЛАМ
АЛЬТИМЕТРИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ
Вначале рассмотрим характер вариаций амплитуд и фаз основных суточных волн 01 и К1 в районе, где существование шельфовых волн уже доказано на основе наблюдений как за уровнем моря, так и за скоростями морских течений [9, 10, 7], и их характеристики детально изучены. Пространственное распределение меридиональной (вдольбереговой) компоненты скорости для главной суточной волны К1, рассчитанное в работе [7] на основе анализа большого объема материалов инструментальных измерений скоростей течений и дрейфа льда, осуществлявшегося при помощи береговых РЛС, приведено на рис. 2а. Из этого рисунка видно, что большие скорости приливных течений отмечены в сравнительно узкой прибрежной полосе, от м. Елизаветы до зал. Лунский. Южнее шельфовые волны не проявляются, так как шельф на этом участке слишком короткий, и поэтому их дисперсионные кривые не достигают суточного диапазона [16, 7]. На указанном участке укладывается одна длина волны, составляющая 320—340 км. Как показали результаты численного моделирования [17, 13], у северной оконечности острова происходит дифракция основных приливных волн, результатом которой является значительная пространственная изменчивость их характеристик (рис. 2б).
Рассмотрим характер пространственных вариаций гармонических постоянных суточных волн в данном районе по материалам спутниковой альтиметрии. Северо-восточный шельф о. Сахалин пересекают три восходящих трека спутника ТОРЕХ^йёоп (ТР) - 51, 127 и 203 (рис. 3), они ориентированы примерно под углом 45° к линии берега, имеющей ориентацию, близкую к меридиональной. Последний из них, как следует из рис. 2, проходит южнее зоны существования шельфовых
С.ш., град
Рис. 1. Батиметрическая карта Охотского моря и прилегающих акваторий. Прямоугольники — области, где доказано существование суточных приливных шельфовых волн; штриховые линии — область шельфа в районе Северных Курил, где существование этих волн вероятно.
Рис. 2. Пространственное распределение амплитуд (а) и фаз (б) меридиональной составляющей течений главной суточной волны К1 на северо-восточном шельфе о. Сахалин по данным инструментальных измерений течений и эллипсы течений, полученные методами моделирования (в) (из работы [7]). Величины амплитуд указаны в см/с, а фаз — в град.
волн, зато два других ее захватывают. Правда, первые точки расположены на значительном расстоянии от берега, что затрудняет исследование данного типа волновых движений. Это обстоятельство характерно для данных спутниковой альтиметрии, в особенности когда спутник выходит с суши на море. Из-за связанных с этим искажений в принимаемой информации данные в прибрежных точках обычн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.